Redes - Arquitetura de Redes

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FUNDAMENTOS
DE REDES DE 
COMPUTADORES 
Jonathan de Carvalho Silva
Arquitetura de redes
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
  Exemplificar modelos de arquiteturas de redes de computadores.
  Descrever o modelo TCP/IP e o seu funcionamento.
  Reconhecer as funcionalidades das camadas do modelo TCP/IP.
Introdução
Os computadores se conectam em redes de diversas formas: com cabos 
de metal, de fibra óptica, Wi-Fi, etc. Essa conexão é denominada topologia 
e se divide em duas categorias básicas: física ou lógica.
Neste capítulo, você vai estudar arquitetura de redes de computa-
dores, vendo exemplos de modelos de arquiteturas de redes existentes 
atualmente. Além disso, você vai se aprofundar no modelo TCP/IP e em 
seu funcionamento e vai reconhecer as funcionalidades de cada camada 
do modelo TCP/IP.
Modelos de arquiteturas de redes
de computadores
Com tantos dispositivos comunicando-se entre si, o mundo de redes de com-
putadores é complexo. Quando estamos implementando uma rede de com-
putadores, uma das coisas que precisamos pensar é em como conectar os 
computadores. Podemos fazê-lo utilizando cabos de metal, de fi bra óptica, 
Wi-Fi, entre outras maneiras, mas a forma pela qual os computadores se 
conectam na rede é chamada de topologia.
Topologias de rede
Quando estamos falando da maneira pela qual os computadores estão co-
nectados fi sicamente, dizemos que essa é a topologia física. Porém, não 
basta dois computadores estarem conectados fi sicamente para que possam 
comunicar-se. Para isso, devem existir regras de comunicação, que falam 
como essa comunicação pode ser feita. Ou seja, dependendo da regra, po-
demos ter meios diferentes de os computadores se comunicarem uns com os 
outros — neste caso, falando sobre as conexões lógicas que os computadores 
fazem ou sobre as topologias lógicas (ALBINI, 2015).
Veja, a seguir, as duas categorias básicas de topologias de rede que 
existem.
  Topologia física: é representada pela conexão dos equipamentos de 
rede. A topologia de rede designa a disposição em que os equipamentos 
de rede foram conectados, por exemplo: anel, barramento, árvore, 
estrela, entre outros. Essa topologia influencia em diversos pontos, 
como disponibilidade, escabilidade, velocidade e flexibilidade.
  Topologia lógica: maneira com que os dados são transmitidos, através 
da rede, de um equipamento de rede para o outro. Essa topologia pode 
ser configurada remotamente e dinamicamente por equipamentos 
de rede, como roteadores e switches. Alguns exemplos são Ethernet, 
Token Ring, entre outros.
Nos próximos tópicos, serão abordadas as principais topologias utilizadas 
comercialmente.
Arquitetura de redes2
Topologia de barramento
Neste tipo de topologia (Figura 1), todos os computadores estão interco-
nectados por um mesmo barramento físico de dados. Com isso, somente 
uma única máquina pode enviar dados ao barramento físico em um dado 
momento. Assim, as outras máquinas fi cam observando o barramento físico 
com o intuito de receber dados destinados a elas.
Figura 1. Topologia de barramento.
Fonte: Reis (2016, documento on-line).
Entre suas vantagens, destaca-se:
  o uso de cabo é econômico e de fácil instalação e expansão;
  baixo custo de matéria-prima e mão de obra;
  simples e relativamente confiável.
Em relação às desvantagens, pode-se apontar:
  lentidão e congestionamento na rede;
  falha no barramento interrompe a rede inteira;
  dificuldade de encontrar a causa de problemas.
3Arquitetura de redes
Topologia em estrela
Mais comum atualmente, a topologia em estrela (Figura 2) utiliza cabos de par 
trançado e um concentrador como ponto central da rede (FRANCISCATTO; 
CRISTO; PERLIM, 2014). O equipamento de rede se encarrega de transmitir todos 
os dados para todas as máquinas. Com isso, há a vantagem de localizar possíveis 
problemas, pois somente o componente defeituoso fi cará sem acesso à rede.
Figura 2. Topologia em estrela.
Fonte: Barbosa (2011, documento on-line).
Entre suas vantagens, estão:
  adição de novas máquinas de maneira simples devido ao gerenciamento 
centralizado;
  uma falha em uma máquina não afeta o restante da rede.
Uma desvantagem dessa topologia é que falha ocorrida no equipamento 
de rede central paralisa a rede toda.
Arquitetura de redes4
Topologia em anel
Nesta topologia (Figura 3), as máquinas são conectadas em série, formando 
um circuito fechado que se parece com um anel, e os dados são enviados de nó 
em nó até atingir a máquina de destino. A mensagem é recebida pela máquina 
de destino, em caso de sucesso, ou pela máquina de origem, em caso de falha.
Figura 3. Topologia em anel.
Fonte: Reis (2016, documento on-line).
A vantagem da topologia em anel é que todas as máquinas acessam a rede 
igualmente e sem impacto em performance; a desvantagem é que falhas são 
difíceis de encontrar e podem afetar toda a rede.
5Arquitetura de redes
Topologia em malha
A topologia em malha (Figura 4) é muito utilizada em diversas confi gurações, 
já que facilita a instalação e a confi guração da rede. Nesse cenário, todas as 
máquinas têm conexão com todas as outras máquinas possíveis e a informação 
pode ser transmitida da origem até o destino.
Figura 4. Topologia em malha.
Fonte: Ribeiro (2009, documento on-line).
Entre suas vantagens, destaca-se maior redundância e confiabilidade e 
facilidade de diagnóstico. Como desvantagem, pode-se considerar sua insta-
lação, que é dispendiosa.
Modelo de camadas
O modelo de camadas prevê que cada camada em uma arquitetura de rede 
deve ser responsável pela disponibilidade dos serviços, interfaces e protocolos. 
Segundo Maia (2013), pode-se ter uma série de benefícios com uma arquite-
tura que defi na claramente esses conceitos, já que se simplifi ca o projeto e a 
implementação de seus componentes; além disso, a manutenção e a evolução 
Arquitetura de redes6
da arquitetura são facilitadas. Assim, é possível melhorar serviços já existentes 
ou incluir novos serviços sem afetar os demais níveis do modelo com o efetivo 
isolamento entre as camadas.
Dessa forma, para facilitar o entendimento de todo esse processo de comu-
nicação em redes, uma abordagem em camadas foi desenvolvida e chamada de 
arquitetura de camadas ou, também, arquitetura de protocolos, desenvolvida 
para padronizar hardware, software e protocolos de comunicação. Desse modo, 
os diversos fabricantes podiam basear-se em um modelo para desenvolver seus 
equipamentos e aplicações. A seguir, você vai conhecer dois modelos de camadas: 
um modelo usado como referência e outro modelo usado como aplicação, isto é, 
o modelo de referência OSI e o modelo de referência TCP/IP (SERVIÇO..., 2012).
Modelo de referência OSI
Devido ao surgimento de distintas redes, o modelo de referência OSI foi criado 
com o objetivo de garantir a interoperabilidade e compatibilidade das redes. 
Na Figura 5, você pode conferir as sete camadas em que se divide o modelo.
Figura 5. Modelo de referência OSI.
Fonte: Adaptada de Dye, Mcdonald e Rufi (2008).
Cada camada do modelo OSI possui funções e características distintas. 
Veja, a seguir, uma função resumida de cada camada (SERVIÇO..., 2012).
  Aplicação: representa os serviços de rede disponíveis aos usuários.
  Apresentação: realiza a comunicação fim a fim entre aplicações.
7Arquitetura de redes
  Sessão: gerencia o início e o término das sessões entre as aplicações.
  Transporte: gerencia o início e o término de circuitos virtuais entre 
equipamentos de rede.
  Rede: endereça e determina a melhor rota de rede (por exemplo, 
roteadores).
  Enlace: realiza o controle de acesso ao meio de rede (por exemplo, 
switches).
  Física: responsável pela transmissão de bits através dos meios físicos 
de redes (por exemplo, cabeamento, hub).
Modelo IEEE 802
O modelo IEEE 802 (Figura 6) refere-se a um conjunto de padrões desenvol-
vidos pelo IEEE para defi nir métodos de acesso e controle para redeslocais 
(LANs) e metropolitanas (MANs). 
A série 802 não foi a única série de padrões de protocolos criadas pelo IEEE, 
porém, a mais importante. Os protocolos IEEE 802 correspondem à camada 
física e à camada enlace de dados do modelo ISO/OSI, largamente adotado 
na interconexão de sistemas abertos, porém divide a camada de enlace em 
duas subcamadas (KOLB, 2017).
Figura 6. Modelo IEEE 802
Fonte: Kolb (2017).
Arquitetura de redes8
Camada LLC do padrão 802
Esta camada possui mecanismos de endereçamento e conexões dos equipa-
mentos de rede em relação ao meio. Seu objetivo é controlar erros e troca 
de dados entre os usuários por meio da geração de mensagens em forma de 
quadros. Esta camada defi ne SAPs (Access Points) e o protocolo HDLC, que 
são base para a operação desse padrão de rede.
A camada LLC estabelece a conexão a partir dos seguintes padrões:
1. sem conexão e sem reconhecimento.
2. sem conexão e com reconhecimento.
3. com conexão.
O padrão IEEE 802.2 especifica o funcionamento dessa camada, os demais 
padrões operam na camada de Controle de Acesso ao Meio (MAC) e na camada 
física, como veremos adiante.
Camada MAC do padrão 802
A camada MAC do padrão 802 permite controle do acesso ao meio de trans-
missão e detecção de colisões e mantém uma tabela dos endereços físicos dos 
equipamentos de rede conhecidos. Cada equipamento de rede deverá ter um 
endereço MAC único, a partir do qual será reconhecido pela rede.
Camada física do padrão 802
A camada física é composta pelos meios físicos para a transmissão dos dados, 
como, por exemplo: RJ45, fi bra ou Wi-Fi. A IEEE 802 apresenta diversos 
padrões que são associadas a partir dos meios físicos. Dentre os mais conhe-
cidos, estão os seguintes.
  IEEE 802.3 (Ethernet): utiliza o protocolo CSMA/CD para controlar o 
acesso ao meio de transmissão.
  IEEE 802.4 (Token-Bus): utiliza o controle de acesso por meio de token 
comum a todos os equipamentos de rede.
  IEEE 802.5 (Token-Ring): utiliza o controle de acesso por meio de 
token em uma topologia de anel físico.
9Arquitetura de redes
Um planejamento bem realizado permite o crescimento da rede, melhora o roteamento 
da rede e economiza endereços IP.
Modelo TCP/IP
Nas seções anteriores, vimos o modelo de referência OSI, que serve como 
base para o entendimento do funcionamento da rede e de protocolos de co-
municação. Isso se torna evidente principalmente quando há a necessidade 
de nos referirmos ao funcionamento de dispositivos de rede, já que, ao falar 
em camadas, citamos as camadas do modelo de referência OSI.
Segundo Comer (2015), o modelo de referência TCP/IP (Figura 7), como 
seu próprio nome já diz, é um modelo utilizado na aplicação de toda a internet 
e redes de computadores, ou seja, o modelo OSI é usado como uma referência, 
enquanto o modelo TCP/IP é o modelo a partir do qual a internet se desenvolveu 
e funciona até hoje.
Segundo Maia (2013), este modelo foi desenvolvido pelo Departamento de 
Defesa dos EUA com o objetivo de criar uma rede tolerante a falhas; assim, 
caso uma bomba caísse em um quartel general, a comunicação não seria 
interrompida. Esse modelo foi desenvolvido como um padrão aberto e é nele 
em que, atualmente, toda a internet tem o seu funcionamento.
Figura 7. Modelo de referência TCP/IP.
Fonte: Adaptada de Dye, Mcdonald e Rufi (2008).
Arquitetura de redes10
Na Figura 8, você pode conferir a integração de todas as camadas do modelo 
TCP/IP e que garantem o correto funcionamento da rede.
Figura 8. Funcionamento do modelo TCP/IP.
Fonte: Reis (2017, documento on-line).
Na camada de aplicação, estão os protocolos de aplicação, tais como o 
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), para e-mail, o FTP (File Transfer 
Protocol), para a transferência de arquivos, e o HTTP (Hypertext Transfer 
Protocol), para navegação web. “Cada tipo de programa se comunica com 
um protocolo de aplicação diferente, dependendo da finalidade do programa” 
(TORRES, 2007).
Este protocolo na camada de aplicação se comunica com um outro protocolo 
na camada de transporte via TCP (Transmission Control Protocol) ou UDP 
(User Datagram Protocol). Essa camada é responsável por obter os dados da 
camada superior com o objetivo de verificar e dividir em pacotes que serão 
enviados em ordem à camada internet. Nessa camada, está o IP (Internet 
11Arquitetura de redes
Protocol), que adiciona informações de endereço do computador que está 
enviando os dados e o endereço do computador que receberá os dados. Em 
seguida, os pacotes são enviados para a camada interface com a rede, na qual 
os pacotes são chamados datagramas (MAIA, 2013).
A camada interface com a rede recebe esses pacotes e os envia para a rede 
em forma de quadros. Atualmente, a maioria das conexões e transferências 
de dados utilizam um tipo de rede chamado Ethernet (que está disponível 
em diferentes velocidades; as redes sem fio também são redes Ethernet) e, 
portanto, você deve encontrar na camada Interface com a Rede as camadas do 
Ethernet, que são controle do link lógico (LLC), controle de acesso ao meio 
(MAC) e física, listadas de cima para baixo. Os pacotes transmitidos pela rede 
são chamados quadros (IBRAHIM, 2011).
Modelo TCP/IP de 5 camadas (modelo híbrido)
Com a tendência de unifi car os conceitos das camadas do modelo OSI, surge o 
modelo híbrido do TCP/IP com somente 5 camadas. Neste modelo, a camada 
física tem acesso ao meio físico com a função de adaptar os bits, chamado 
PDU, ao meio físico. Enquanto isso, a camada de enlace interliga a camada 
física com a camada de rede com a função de transmitir sua PDU, o quadro 
ou frame, entre dois equipamentos de rede em distinto meio físico. A camada 
de rede é chamada de internet ou inter-rede e é responsável por localizar e 
descobrir a melhor rota para enviar as informações para a máquina de destino 
a partir de um endereço IP por meio de sua PDU denominada datagrama.
A camada de transporte é responsável por estabelecer a uma conexão virtual 
para a comunicação entre duas máquinas através de sua PDU denominada 
segmento.
A camada de aplicação é a última camada que é responsável pela comu-
nicação com os serviços ou aplicativos utilizados por usuários finais através 
de sua PDU denominada mensagem ou dado.
Entre suas vantagens, podemos destacar que:
  possuem suporte para a maioria dos equipamentos de rede;
  permitem a comunicação entre equipamentos de diferentes empresas.
Já as suas desvantagens se referem a que:
  é uma tecnologia não flexível;
  pode haver diversos padrões para a mesma função em cada camada.
Arquitetura de redes12
As funcionalidades das camadas do modelo TCP/IP
Nesta seção, vamos estudar cada uma das camadas do modelo TCP/IP, suas 
características, funcionalidades e principais protocolos da pilha.
Camada de acesso à rede
A camada de acesso à rede tem como responsabilidade o encaminhamento 
local entre dois hosts diretamente conectados. Enquanto a camada de rede leva 
uma informação de uma origem até um destino qualquer, por meio de vários 
saltos, a camada de acesso à rede leva as informações de um salto ao outro.
Essa camada controla como será o acesso ao meio físico. Várias tecnologias 
podem ser utilizadas para executar as funções dessa camada e, no decorrer 
do trajeto, da origem ao destino. A informação pode transitar por diferentes 
tecnologias, como Ethernet e PPP1. A especificação dessa camada deixou a 
cargo da especificação dos protocolos a forma como se dará a interação com 
o meio físico. Dessa forma, permite que a pilha de protocolos TCP/IP possa 
ser executada sobre qualquer tecnologia de camada física/hardware.
Camada de internet
O IP é um protocolo não confi ável e sem conexão e, por não oferecer garantias, 
é conhecido como protocolo de melhor esforço. Os sistemas de roteamento e 
dispositivos da camada farão o possível para entregar os pacotes, mas esses 
dispositivos que compõem o núcleo da rede não operam nas camadas de trans-
porte e aplicação, deixando a cargo dos dispositivosfi nais a tarefa de avaliar 
os pacotes recebidos utilizando serviços da camada de transporte e aplicação. 
Apesar de não garantir, o IP é responsável pela defi nição de quando mensagens 
de erros serão geradas. Para gerar essas mensagens de erro relacionadas ao 
encaminhamento e à entrega dos pacotes, é utilizado o protocolo ICMP.
Camada de transporte
A camada de transporte é responsável pela transferências entre dois equipa-
mentos de rede, independentemente do tipo e da aplicação utilizada. No caso 
do UDP, os dados da camada de aplicação estão diretamente relacionados ao 
número de porta, na qual possuem menos recursos de correção de erros. No 
protocolo TCP, temos o conceito de socket, que é uma relação existente entre 
o conjunto de números de porta e endereço IP.
13Arquitetura de redes
  TCP (Transmission Control Protocol): protocolo orientado à conexão 
confiável. Fragmenta um fluxo de bytes em mensagens e as entrega 
à camada inter-rede (rede). No destino, o TCP remonta às mensagens 
recebidas sem fluxo de bytes. É responsável pelo controle de fluxo, 
controle de erro, sequencialização e multiplexação do acesso ao nível 
inter-rede (rede).
  UDP (User Datagram Protocol): protocolo sem conexão e não confiável 
para aplicações que não necessitam de controle de fluxo ou de sequen-
cialização das mensagens (voz e vídeo). O serviço fornecido é somente o 
de multiplexação e demultiplexação do acesso ao nível inter-rede (rede).
Essa relação é utilizada para identificar a conexão existente entre dois 
hosts. Por exemplo, temos o conjunto 192.168.1.1:1893, que representa o host 
cliente que está no Sagah, e o conjunto 172.17.103.25:80 que representa o 
host da Empresa Grupo A. Dessa forma, o TCP é capaz de identificar o uso 
simultâneo de uma mesma aplicação por dois clientes diferentes.
Camada de aplicação
Nesta camada, a comunicação entre as aplicações ocorre por meio de protocolos 
de aplicação. Quando uma aplicação depende de um protocolo dessa camada, esse 
protocolo tem como objetivo encaminhar os dados para a camada de transporte, 
e a camada de aplicação fornece o serviço para que as aplicações de usuário 
possam interagir com a rede. Por exemplo: o HTTP para navegação em páginas 
web, o DNS para resolução de nomes, o FTP para transferência de arquivos, o 
SMTP/POP/IMAP para transferência de mensagens de e-mail, o DHCP para 
confi guração de hosts e o SNMP para gerenciamento de rede. Note que cada 
um desses protocolos utiliza um ou mais protocolos da camada de transporte.
Apesar de o modelo de referência OSI ser utilizado como base para o desenvolvimento 
de protocolos, o modelo TCP/IP foi definido primeiro, e muitas de suas características 
foram incorporadas ao modelo OSI.
Arquitetura de redes14
Modelos TCP/IP e OSI: uma comparação
Como você já viu, o modelo de referência OSI possui sete camadas, en-
quanto o modelo TCP/IP possui somente quatro. Apesar dessa divergência 
no número de camadas, mesmo utilizando o TCP/IP, referimo-nos às 
defi nições das camadas do modelo OSI, o qual continua sendo de grande 
importância, pois a forma como é apresentando auxilia na compreensão do 
funcionamento das redes de computadores e protocolos (TANEMBAUM; 
WETHERALL, 2011).
O modelo TCP/IP teve uma adoção ampla, pois, apesar de ainda não 
estar com uma especificação madura, foi imediatamente inserido em 
sistemas Unix. Essa implementação levou a um grande número de usuá-
rios. Ao contrário do TCP/IP, o modelo OSI exigia que diversas etapas de 
maturação da especificação fossem completadas para poder implementar 
códigos. Essas exigências geravam uma morosidade que acarretou na falta 
de adesão aos protocolos do modelo OSI.
Mesmo havendo diferenças em relação ao sucesso e adoção de protocolos 
de cada modelo, eles têm diversas características em comum. A Figura 9, 
a seguir, mostra uma relação existente entre as camadas de cada modelo.
Figura 9. Relação entre os modelos de referência OSI e TCP/IP.
Fonte: Adaptada de Dye, Mcdonald e Rufi (2008).
15Arquitetura de redes
Os modelos OSI e TCP/IP possuem muitos pontos em comum, mas também 
muitos pontos diferentes. Veja, no Quadro 1, as semelhanças e diferenças 
entre eles.
Fonte: Adaptado de Fey e Gauer (2013).
Semelhanças Diferenças
Modelos baseados em camadas com 
pilha de protocolos independentes
Número de camadas
A camada de transporte implementa 
serviços orientados à conexão e não 
orientados à conexão
As camadas de aplicação, apresen-
tação e sessão do modelo OSI estão 
agregadas na camada de aplicação 
do TCP/IP
A camada de internet realiza basica-
mente a mesma tarefa de endere-
çamento lógico e encaminhamento 
de pacotes (no OSI, denominados de 
pacotes, e, no TCP/IP, chamados de 
datagramas)
No modelo TCP/IP de 4 camadas, a 
camada acesso à rede de agrega as 
camadas física e enlace do OS
A camada acesso à rede do modelo 
TCP/IP de 4 camadas não é muito 
bem definida
Os serviços da camada de rede no 
modelo TCP/IP são implementados 
pelo IP, como um serviço sem co-
nexão, enquanto no modelo OSI a 
camada de rede implementa serviço 
com conexão
Quadro 1. Semelhanças e diferenças entre os modelos OSI e TCP/IP
Podemos perceber que a relação mais significativa ocorre entre as ca-
madas de transporte, rede e internet. A camada de rede tem sua função bem 
definida em ambos os modelos, que é a capacidade de endereçar e rotear as 
mensagens na rede. No caso da camada de transporte, a definição considera a 
responsabilidade de recuperação de erros, garantia da entrega dos segmentos 
na sequência correta e confiabilidade na comunicação fim a fim.
Como o modelo TCP/IP possui menos camadas, algumas das funções das 
camadas de apresentação e sessão do modelo OSI ficam a cargo da camada 
Arquitetura de redes16
de aplicação do TCP/IP. O mesmo acontece com a camada de enlace de dados 
e camada física do modelo OSI, que fica a cargo da camada de acesso à rede 
do TCP/IP.
Você pode aprender mais sobre o TCP/IP consultando o link a seguir.
https://qrgo.page.link/qo7Gi
A camada de acesso à rede elenca como deve ser feita a interação entre 
a camada de internet e o meio físico, mas não especifica os protocolos e 
nem como eles realizam essa tarefa. Todos os procedimentos para que sejam 
estabelecidas as conversações nessa camada são especificados pelas camadas 
física e de enlace do modelo OSI.
UDP versus TCP
Um dos colegas de João Pedro estuda Desenvolvimento de Sistemas. Ele tem interesse 
em atuar no desenvolvimento de aplicativos de comunicação de voz, mas não tem 
conhecimento suficiente na área de redes de computadores. Sabendo que João Pedro 
é um grande conhecedor dessa área, resolve consultá-lo sobre o uso de protocolos de 
rede para a comunicação de voz. João Pedro sabe que as aplicações de voz exigem 
interação em tempo real e, de imediato, descartou o TCP devido à sua sobrecarga com 
informações de controle. Sugeriu ao seu colega que procurasse conhecer melhor os 
protocolos UDP e IP, principalmente questões de endereçamento de rede. Além disso, 
João Pedro sugeriu que ele também visse como funciona o protocolo de DNS, já que 
o uso de aplicações de rede geralmente envolve nomes de domínio. Apesar de sua 
excelente instrução, seu colega questionou sobre o uso de um protocolo confiável, 
para que a aplicação seja atualizada automaticamente quando novas versões forem 
lançadas. Para esse caso, João Pedro sugeriu que ele estudasse sobre o TCP, pois é um 
protocolo que garante a entrega dos segmentos de rede.
17Arquitetura de redes
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Arquitetura de redes18
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19Arquitetura de redes